Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Définition

Une pompe à chaleur (PAC) est un appareil thermodynamique qui permet de chauffer un espace ou de le refroidir selon l’usage recherché (plancher chauffant, réfrigérateur, climatiseur, etc.).

La thermodynamique utilise des calories disponibles et gratuites, récupérées dans le sol (géothermie de surface), les nappes phréatiques, ou l'air extérieur, transportées via des fluides frigorigènes. Un compresseur relève leur niveau de température pour les céder ensuite au circuit de chauffage du bâtiment.

Ces équipements fonctionnent quasiment tous à l'électricité. Mais la quantité de chaleur produite est supérieure à l'électricité qu'ils consomment, ce qui les rend bien plus efficaces, énergétiquement, qu'un radiateur électrique. On distingue les PAC air-eau, pour radiateur standard ou plancher chauffant-rafraîchissant. Et la version air-air, qui transmet la chaleur via un système de ventilation ; réversible, elle peut rafraîchir.

Le procédé, mis au point par un Américain dans les années 1930, a fait florès aux États-Unis dès après la guerre, pour le chaud et le froid.

Le cas d’un chauffage est retenu ici pour l’explication. Schématiquement, il s’agit de « refroidir le froid pour réchauffer le chaud ».

Principe de fonctionnement

Le principe d’une pompe à chaleur consiste à capter et à transférer de l’énergie thermique entre deux milieux par le biais d’un fluide caloporteur dit « frigorigène ». Ce fluide a pour particularité de s’évaporer à une faible température sous pression atmosphérique. Il transite à l’état liquide par un évaporateur : il y capte les calories issues de la chaleur d’une source externe naturelle (eau, air ou sol) et passe à l’état gazeux avec la hausse de température. 

Le fluide sous forme de gaz est ensuite aspiré par le compresseur de la pompe à chaleur. Sous l’effet de la pression, sa température s’élève encore. Le gaz chaud est alors propulsé dans un condenseur dans lequel il cède une partie de son énergie calorifique :

• soit par contact direct avec l’émetteur final de chaleur (ex : air ambiant) ;
• soit par l’intermédiaire d’un circuit secondaire dont le fluide transmet la chaleur à l’émetteur final  (ex : réseau d’eau d’un logement).                                                 

En cédant de la chaleur, le fluide frigorigène se refroidit et redevient liquide. Sa température est encore abaissée par un détendeur qui diminue sa pression. Le fluide circule alors de nouveau vers l’évaporateur pour un nouveau cycle.

Aérothermie et géothermie

L'aérothermie utilise la chaleur de l'air extérieur pour chauffer ou refroidir un bâtiment, tandis que la géothermie exploite la chaleur stable du sol pour le même objectif.

Aérothermie

L'aérothermie est une technologie qui utilise l'énergie thermique contenue dans l'air extérieur pour chauffer ou refroidir un bâtiment. Ce système repose sur l'utilisation d'une pompe à chaleur air-air ou air-eau, qui extrait la chaleur de l'air extérieur même à basse température, la compresse pour augmenter sa température, puis la transfère à l'intérieur via des unités de ventilation ou un circuit d'eau chaude.

Quand il fait chaud, ce processus peut être inversé pour évacuer la chaleur de l'intérieur vers l'extérieur, assurant ainsi une climatisation efficace.

Les PAC aérothermiques coûtent généralement entre 4 et 8 000 euros.

Géothermie

La géothermie exploite la chaleur stable et constante du sol pour chauffer et refroidir les bâtiments. Ce système utilise des capteurs enterrés dans le sol ou des sondes géothermiques plongées dans des nappes phréatiques pour extraire la chaleur terrestre, qui est ensuite transférée à un fluide frigorigène. Ce fluide est comprimé pour augmenter sa température et transférer la chaleur à un système de chauffage, tel que des radiateurs ou un plancher chauffant.

Les PAC géothermiques coûtent généralement entre 8 et 20 000 euros.

Les types de PAC

Les différents types de pompes à chaleur sont souvent classés en fonction de la source de chaleur initiale et de l’émetteur final : air/air, air/eau, eau/eau, etc.

En France, plus d'un million de pompes à chaleur sont vendues chaque année (portant leur nombre à près de 8 millions dans le pays), selon l'Association française pour les pompes à chaleur (Afpac).

Source : : AFPAC, CEREN, Uniclima - Graphique : Selectra

Environ 10% des besoins de chauffage des bâtiments dans le monde ont été satisfaits par des pompes à chaleur depuis 2021, contre près de 40% par un chauffage au gaz, 10% au fioul et 15% par des réseaux de chauffage urbain.

Air/air

Les pompes à chaleur air-air fonctionnent en extrayant la chaleur de l'air extérieur à l'aide d'un fluide frigorigène qui circule dans un cycle thermodynamique. Ce fluide passe par un évaporateur, où il absorbe la chaleur de l'air extérieur, avant d'être comprimé, augmentant ainsi sa température. La chaleur ainsi produite est ensuite libérée à l'intérieur du bâtiment via un condenseur et distribuée par des unités intérieures soufflantes.

En été, le cycle peut être inversé pour extraire la chaleur de l'intérieur et la rejeter à l'extérieur, assurant ainsi une fonction de climatisation.

Les PAC air-air sont populaires pour leur installation relativement simple et leur capacité à fournir chauffage et climatisation dans un même système.

Air-Eau

Les pompes à chaleur air-eau fonctionnent sur le même principe thermodynamique que les PAC air-air, mais elles transfèrent la chaleur captée de l'air extérieur à un circuit d'eau. Ce circuit d'eau chauffée est ensuite utilisé pour alimenter des systèmes de chauffage central, comme des radiateurs, un plancher chauffant, ou des ventilo-convecteurs. Le fluide frigorigène absorbe la chaleur de l'air extérieur via l'évaporateur, est comprimé pour augmenter sa température, puis libère cette chaleur dans le condenseur qui chauffe l'eau du circuit.

Les PAC air-eau peuvent également produire de l'eau chaude sanitaire et peuvent être connectées à des systèmes de chauffage existants pour améliorer l'efficacité énergétique globale du bâtiment.

Eau-Eau

Les pompes à chaleur géothermiques eau-eau fonctionnent en exploitant la chaleur stable du sol ou des nappes phréatiques pour chauffer un bâtiment et produire de l'eau chaude sanitaire.

Ce système comprend des capteurs géothermiques enterrés dans le sol ou des sondes plongées dans l'eau souterraine, qui absorbent la chaleur terrestre. Cette chaleur est transférée à un fluide frigorigène circulant dans un circuit fermé. Le fluide est compressé, augmentant sa température, puis il cède sa chaleur via un échangeur thermique à un circuit d'eau. Cette eau chaude est ensuite distribuée dans le système de chauffage du bâtiment, comme des radiateurs ou un plancher chauffant.

Le cycle se répète continuellement, assurant une source de chaleur renouvelable et constante, indépendamment des variations climatiques extérieures.

Qu'est-ce un qu'un COP de PAC ?

Le Coefficient de Performance (COP) est une mesure de l'efficacité énergétique des pompes à chaleur, exprimant le rapport entre la quantité de chaleur produite et l'énergie électrique consommée pour la produire.

Par exemple, un COP de 6 signifie que pour chaque kWh d'électricité consommé, la pompe à chaleur génère 6 kWh de chaleur. Un COP élevé indique une meilleure efficacité, signifiant des économies d'énergie et des coûts réduits.

La géothermie garantit un COP plus élevé que l'aérothermie.

Quels éléments considérer quand on choisit une pompe à chaleur ?

L'efficacité énergétique, souvent mesurée par le coefficient de performance (COP), est cruciale. Un COP élevé signifie que la PAC produit plus de chaleur ou de refroidissement par unité d'énergie consommée.

Il est également important d'avoir en tête les conditions climatiques de sa région, car les performances des PAC air-air peuvent diminuer à des températures très basses, tandis que les PAC géothermiques sont moins affectées par les variations de température extérieure.

L'état de l'isolation de sa maison joue un rôle déterminant dans le choix de la puissance nécessaire pour la PAC : une maison bien isolée nécessitera une pompe à chaleur de moindre puissance, ce qui peut réduire les coûts d'installation et de fonctionnement.

En outre, les coûts initiaux et les économies à long terme doivent être évalués. Bien que les PAC géothermiques aient des coûts d'installation plus élevés en raison des travaux de forage nécessaires, elles offrent souvent des économies d'énergie significatives à long terme grâce à leur efficacité élevée et constante. Mais elles seront moins utiles dans les régions plus chaudes du sud.

Enfin, en cas de rénovation, la compatibilité avec son système de chauffage actuel et les besoins spécifiques de son ménage, comme la production d'eau chaude sanitaire, doivent être pris en compte.

Il est également important de considérer les subventions financières disponibles, qui peuvent varier en fonction de la région et du type de PAC choisi. Le gouvernement soutient leur installation via des subventions sous condition de ressources. Pour une pompe à chaleur air-eau, elles s'élèvent jusqu'à 4 000 euros pour les ménages aux revenus très modestes et vont pour un système géothermique jusqu'à 10 000 euros.

Autres conseils : passer par un artisan certifié RGE, ne pas signer de devis avant une visite sur site, si un contrat d'entretien est proposé c'est "bon signe" et le professionnel doit passer dans toutes les pièces, vérifier leur isolation et non réaliser des visites expéditives.

Une « solution hyper-efficace » de la transition énergétique dans les bâtiments

Les pompes à chaleur constituent « la technologie centrale d'une transition soutenable du chauffage » dans les bâtiments, sous réserve qu'elles soient alimentées par de l'électricité produite par des filières bas carbone, souligne l'Agence internationale de l'énergie⁽¹⁾.

Bémol important, un chauffage d'appoint est parfois nécessaire, selon le dimensionnement de sa PAC.

Le rythme de développement des pompes à chaleur est « en augmentation rapide » - les ventes mondiales ont augmenté de 15% en 2021 (et de 35% dans l'Union européenne) -  et certains pays sont déjà très équipés à l'image des pays nordiques, Norvège en tête (où 60% des bâtiments disposent de pompes à chaleur).

À l'heure actuelle, le chauffage des bâtiments dans le monde engendre des émissions annuelles de près de 4 milliards de tonnes de CO2, soit environ 10% de l'ensemble des émissions mondiales de CO2 selon l'AIE.

Pour atteindre la neutralité carbone en 2050, le monde devrait passer de plus de 200 millions d'unités en 2023 à 600 millions d'ici 2030.

Considérant que les pompes à chaleur constituent le moyen privilégié pour décarboner le chauffage, l'AIE estime, dans son scénario « APS » (« Announced Pledges », si tous les objectifs annoncés à ce jour sont atteints dans les temps), que la puissance cumulée des pompes à chaleur dans le monde pourrait passer de près de 1 000 GW en 2021 à presque 2 600 GW en 2030 (en satisfaisant alors presque un cinquième des besoins de chauffage dans les bâtiments au niveau mondial).

Dans ce scénario, le développement accéléré des pompes à chaleur ferait chuter la consommation mondiale de gaz de près de 80 milliards de m3 en 2030 (par rapport à 2021) et celle de fioul dédié au chauffage d'environ 1 million de barils par jour. En définitive, le développement des pompes à chaleur pourraient être responsable de « près de la moitié de la réduction mondiale de consommation de combustibles fossiles pour le chauffage des bâtiments d'ici 2030, le restant provenant de mesures d'efficacité ».

L'intérêt des pompes à chaleur serait particulièrement marqué dans l'Union européenne : près de 7 millions de pompes à chaleur pourraient y être vendus en 2030 selon l'AIE (contre environ 2 millions en 2021), ce qui pourrait permettre de réduire la consommation annuelle de gaz des États membres de 21 milliards de m3 par an à l'horizon 2030 (soit presque 15% du niveau des importations européennes de gaz russe par gazoduc en 2021).

En France, cela avait commencé timidement au choc pétrolier, mais la demande a longtemps stagné, variant au gré des prix du fioul, des aides, des opérations de promotion tentées par EDF, pâtissant aussi d'acteurs peu fiables attirés par l'effet d'aubaine. La forte hausse des prix de l'électricité, les considérations environnementales et la suppression progressive des chaudières ont changé la donne, surtout pour les constructions de maisons neuves.

Les trois fabricants nationaux ont été rachetés par des marques étrangères. Ce n'est que ces dernières années que le pays voit revenir des usines assemblant des machines aux composants plus ou moins hexagonaux. Emmanuel Macron a annoncé en septembre 2023 sa volonté de tripler le nombre de pompes à chaleur produites sur le sol français d'ici 2027, à un million d'unités par an, dans le cadre de la planification écologique du gouvernement pour réduire les émissions de CO2 du pays et le réchauffement climatique.